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1
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROTEGENDO EDIFICAÇÕES DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
ATRAVÉS DE PARA RAIOS
Área de Engenharia Elétrica
por
Gabriel Porto Cioffi de Lima
Marcos Rosa dos Santos, Mestre
Orientador
Itatiba (SP), Novembro de 2011
i
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROTEGENDO EDIFICAÇÕES DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
ATRAVÉS DE PARA RAIOS
Área de Engenharia Elétrica
por
Gabriel Porto Cioffi de Lima
Relatório apresentado à Banca Examinadora do
Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia
Elétrica para análise e aprovação.
Orientador: Marcos Santos Rosa, Mestre
Itatiba (SP), Novembro de 2011
ii
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS...................................................................iii
LISTA DE FIGURAS.................................................................................iv
LISTA DE TABELAS.................................................................................v
LISTA DE EQUAÇÕES.............................................................................vi
RESUMO....................................................................................................vii
1. INTRODUÇÃO........................................................................................1
1.1. OBJETIVOS.............................................................................................2
1.1.1. Objetivo Geral........................................................................................2
1.1.2 Objetivos Específicos...............................................................................2
1.2. METODOLOGIA......................................................................................2
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO.................................................................3
2. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS...........................................................4
2.1. COMO OCORRE UM RAIO......................................................................4
2.1.1. Nuvens adquirem cargas...........................................................................4
2.1.2. Nuvens descarregm cargas........................................................................6
2.2. INCIDÊNCIAS DE RAIOS.........................................................................8
2.2.1. Locais onde há maior incidências.............................................................8
2.2.2. Índice Ceraúnico.....................................................................................8
2.3. DIMENSOES DO RAIO..........................................................................10
2.3.1. Duração do raio....................................................................................10
2.3.2. Grandezas do raio..................................................................................11
3. PROTEGENDO ESTRUTURAS CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS .....................................................................................13
3.1. NÍVEIS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ........13
3.2. DENSIDADE E ÁREA DE CAPTAÇÃO DO RAIO EM ESTRUTURAS .....15
3.3. ÍNDICE DE RISCO...................................................................................17
4. OS DIFERENTES TIPOS DE PARA RAIOS.......................................18
4.1. MÉTODO DE FRANKLIN.......................................................................18
4.1.1. Área espacial de proteção ......................................................................19
4.1.2. Condutor fictício de proteção .................................................................20
4.1.3. Plano fictício de proteção ......................................................................22
4.1.4. Esquema do sistema de para raio tipo Franklin .........................................23
4.2. GAIOLA DE FARADAY.........................................................................33
4.2.1. Proteção pelo Método de Faraday............................................................34
iii
4.2.2. Malhas da Gaiola de Faraday..................................................................35
4.2.3. Cabos de descida...................................................................................35
4.2.4. Posicionamento da malha superior da gaiola de Faraday.............................35
4.2.5. Coberturas metálicas..............................................................................36
5. ESTUDO DE CASO .............................................................................37
5.1. ÁREA DE CAPTAÇÃO ..........................................................................37
5.2. RAIOS INCIDÊNTES .............................................................................37
5.3. ÍNDICE DE RISCO ................................................................................37
5.4. AVALIAÇÃO DO SISTEMA DE PARA RAIOS .......................................38
5.5. RESULTADO DA ANÁLISE...................................................................39
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS.................................................................40
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................41
GLOSSÁRIO..............................................................................................42
APÊNDICE A- PARA RAIO ANALISADO NO ESTUDO DE CASO...44
ANEXO I – PARÂMETROS DE ÍNDICES DE RISCO ..........................46
iv
LISTA DE ABREVIATURAS
” polegadas
A ampére
a.C Antes de Cristo
Dr Densidade de raios
IC Índice Ceraúnico
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
k quilo
kA quiloampères
km quilômetro
km/s quilometros por segundo
km2
quilômetro ao quadrado
kV quilovolts
m metro
mm milímetros
s segundo
SPDA Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricos
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
USF Universidade São Francisco
V volt
μs microsegundos
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Precipitação da gota d’água carregada..................................................................................5
Figura 2. Fragmentação da gota d’água. .............................................................................................5
Figura 3. Cargas positivas no solo induzidas pela nuvem. ..................................................................7
Figura 4. Rompimento da rigidez de elétrica do ar. ............................................................................7
Figura 5. Mapa Isoceraúnico do Brasil. ...............................................................................................9
Figura 6. Forma de onda do raio. ......................................................................................................10
Figura 7. Raio de grande magnitude...................................................................................................12
Figura 8. Raio de grande magnitude em uma elevação. ....................................................................12
Figura 9. Área de captação de uma edificação simétrica. .................................................................15
Figura 10. Área de captação de uma edificação assimétrica..............................................................16
Figura 11. Indução de cargas pela haste. ...........................................................................................18
Figura 12. Altura da haste. ................................................................................................................20
Figura 13. Condutor fictício horizontal .............................................................................................20
Figura 14. Plano fictício. ...................................................................................................................22
Figura 15. Sistema de para raio tipo Franklin. ..................................................................................24
Figura 16. Captor de pontas. ..............................................................................................................25
Figura 17. Ligação equipotencial. .....................................................................................................28
Figura 18. Valor do Coeficiente = 1. ...........................................................................................30
Figura 19. Valor do Coeficiente = 0,66. ......................................................................................30
Figura 20. Valor do Coeficiente = 0,44. ......................................................................................31
Figura 21. Espaçador. ........................................................................................................................32
Figura 22. Disposição de haste de aterramento..................................................................................33
Figura 23. Corrente do raio descendo pela gaiola .............................................................................34
Figura 24. Haste de Franklin protegendo a antena ............................................................................46
Figura 25. Conexão por pressão mal executada ................................................................................46
Figura 26. Conexão da escada de acesso ...........................................................................................47
Figura 27. Cruzamento dos condutores da malha da Gaiola de Faraday ..........................................47
Figura 28. Cabo de descida com tubo protetor ..................................................................................48
Figura 29. Conexão do cabo de descida ............................................................................................48
Figura 30. Haste de aterramento ........................................................................................................49
Figura 31. Conexão do cabo de descida na estrutura metálica das janelas .......................................49
Figura 32. Refletor não conectado ao sistema de para raios .............................................................50
Figura 33.Visão geral do topo do prédio ...........................................................................................50
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Densidade de raios .............................................................................................................9
Tabela 2. Valores do raio ..................................................................................................................11
Tabela 3. Proteção contra descargas atmosféricas ............................................................................13
Tabela 4. Efeito do raio em uma estrutura ........................................................................................14
Tabela 5. Índices de risco .................................................................................................................17
Tabela 6. Ângulos de proteção .........................................................................................................19
Tabela 7. Valores do parâmetro R ....................................................................................................21
Tabela 8. Bitola do cabo de descida para prédios de até 20m ..........................................................26
Tabela 9. Espaçamento entre cabos de descida ................................................................................26
Tabela 10. Bitola dos cabos de equalização......................................................................................28
Tabela 11. Coeficiente Ki.................................... ............................................................................29
Tabela 12. Coeficiente Kmaterial .....................................................................................................29
Tabela 13. Malhas da Gaiola de Faraday .........................................................................................35
Tabela 14. Espessura mínima de coberturas metálicas ....................................................................36
vii
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1. Área de captação do raio .................................................................................................15
Equação 2. Densidade de raios ..........................................................................................................16
Equação 3. Incidência de raios ..........................................................................................................16
Equação 4. Índice de risco .................................................................................................................17
Equação 5. Altura do cabo fictício ....................................................................................................21
Equação 6. Diferencial entre a haste e o condutor fictício ................................................................21
Equação 7. Inequação I do cabo fictício ............................................................................................22
Equação 8. Inequação II do cabo fictício ..........................................................................................22
Equação 9. Altura do plano fictício ...................................................................................................23
Equação 10. Diferencial entre a haste e o plano fictício ...................................................................23
Equação 11. Inequação do plano fictício ...........................................................................................23
Equação 12. Número de descidas.......................................................................................................27
Equação 13. Inequação de distância de material condutor.................................................................29
viii
RESUMO
PORTO CIOFFI DE LIMA, Gabriel. PROTEGENDO edificações DE DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS ATRAVÉS DE PARA RAIOS. Itatiba, 2011. no f. Trabalho de Conclusão de
Curso, Universidade São Francisco, Itatiba, 2011.
Antes de estudar o funcionamento, aplicação e tipos de para raio é necessário entender
primeiramente o histórico de seu surgimento, em que ocasião surgiu a necessidade de instalação do
primeiro para raio, como foi inventado e quais seus princípios básicos de funcionamento.
Para isso, é necessário entender o que são e como ocorrem os raios, que são descargas
atmosféricas.
Após anos de estudos, é possível criar um histórico de incidência de raios, podendo ranquear
e classificar cidades de acordo com o maior ou número de incidências deste fenômeno. Estes
estudos são feitos através do que se chama Índice Ceraúnico.
Os raios também têm dimensões que podem ser classificadas de acordo com sua grandeza e
seu tempo de duração.
Para proteger estruturas contra descargas atmosféricas, é necessário entender: quais são os
níveis de proteção necessários de acordo com o tipo e tamanho da estrutura que se deseja proteger,
quais são os índices mínimos que geram necessidade de instalação de um para raio, além da
densidade e área de captação dos raios nestas estruturas.
Existem diferentes tipos de para raio, sendo o mais comum, o tipo Franklin que tem este
nome em homenagem a seu inventor Benjamin Franklin. Este método é descrito e analisado,
observando qual a área de proteção que ele oferece, além de um esquema completo com todos os
seus componentes como: captor, conector, haste de sustentação, espaçador, braçadeira, cabo de
descida, isolador, aterramento, tubo protetor e conexão.
Todas as fórmulas necessárias para entendimento do conteúdo ou necessidade de calculo
estão dispostas ao decorrer dos tópicos.
O projeto do TCC é um estudo de caso com análise dos dados captados a respeito do SPDA
do prédio de Engenharia da Universidade São Francisco, em Itatiba.
Palavras-chave: Para raio. Descarga atmosférica. Franklin.
ix
ABSTRACT.
Before studying which are the types, for what use and how a lightning-rod works, is
necessary first to understand the history of its birth: in which occasion appeared the necessity of its
installation, how it was invented e which are its basics principles of its working
To get to this, is completely necessary to understand what are and how do they occur, once
they are a kind of atmospheric discharges.
After years of studying, it’s possible to have a history of incidence of rays, which is possible
to classify and rank cities according to the higher or lower number of incidences of this
phenomena. These studies are made trough what is called Índice Ceraúnico
Rays also have dimensions that can be classified according to its magnitude and time of
duration
To protect structures, against atmospheric discharge, must be understood: what are the
levels of protection required according to the type and size of the building to be protected, which
are the minimum indices that require the installation of a lightning-rod, and also, the density and
catchment area of the rays in these structures
There are different kinds of lightning-rods. The most common is the Franklin one that was
named after its inventor Benjamin Franklin. This method is described and analyzed, observing:
which is the protection area that this type offers, besides a complete drawing with all its
components such as: sensor, connector, support shaft, spacer, clamp, descendent cable, insulation,
grounding, pipe protector and connection.
All formulas that is needed to understand this content or necessity of calculations are
described along this assignment.
The Project of this TCC (Task Completion of Course) is a study of a case with the analyses
of the information captured from the lightning protection system of the São Francisco University's
engineering block.
Keywords: lightning-rod. Atmospheric discharge. Franklin.
10
1. INTRODUÇÃO
A formação de cargas nas nuvens e o inevitável descarregamento dessas cargas no solo é um
fenômeno normal, que ocorre naturalmente.
Há muito tempo os raios são estudados pelo homem, no entanto ainda existem muitas
dúvidas com relação ao sistema de carregamento de cargas positivas e negativas que ocorrem nas
nuvens.
O fenômeno que chamamos de raio acontece em uma fração de segundo, gerando uma
grande dificuldade de observação. Além disso, o raio ocorre aleatoriamente na superfície terrestre,
sendo praticamente impossível prever onde o solo será atingido.
Não há nada que se possa fazer para evitar que um raio caia sobre um determinado prédio.
Contudo, podemos forçá-lo em um caminho pré-determinado através do para raios e seus
componentes.
Há milhares de anos, no processo de resfriamento do planeta, existiam muitas tempestades
violentas. Com o passar do tempo, houve a estabilização dessas tempestades, mantendo-se em um
equilíbrio natural.
Existem registros históricos dos raios desde 2000a.C., na Mesopotâmia. Pelo fato de ocorrer
sempre acompanhado do relâmpago e do trovão, o raio era associado a deuses e divindades, sendo
muito apresentado na literatura grega de 700a.C.
Antigamente, a destruição causada pelos raios era associada a pedras incandescentes que
violentamente caíam do céu na ponta do raio. Apenas no século XVIII, cientistas começaram a
relacionar esses fenômenos a descargas elétricas das cargas das nuvens. A partir daí explicou-se o
efeito do relâmpago associado ao arco elétrico, sendo o trovão causado pelo súbito aquecimento e
expansão do ar.
Nos dias de hoje, para estudar o raio, laboratórios utilizam foguetes para produzir um
caminho de ar ionizado, que aumenta a probabilidade da descarga acontecer por esse caminho.
Desta forma, pode-se analisar melhor o raio, através de maquinas fotográficas especiais de alta
velocidade.
11
No ano de 1.752, o cientista, Benjamin Franklin (1706-1790) usou um fio de metal para
empinar uma pipa de papel. Este fio estava preso a uma chave, também de metal, manipulada por
um fio de seda. Franklin soltou a invenção junto com o filho e observou que a carga elétrica dos
raios descia pelo dispositivo.
A perigosa experiência, realizada em 15 de junho deste mesmo ano, comprovou à
comunidade científica da época que o raio é apenas uma corrente elétrica de grandes proporções.
Como cientista voltado à praticidade e à utilidade de suas descobertas, Franklin demonstrou ainda
que hastes de ferro ligadas à terra e posicionadas ao lado ou sobre edificações serviriam de
condutores de descargas elétricas atmosféricas. Esta invenção era o ínicio do que chamamos de
para-raios.
Em uma carta enviada a um amigo em Londres, Franklin sugeriu a ampla instalação dessas
estacas de proteção contra a ação dos raios. A ideia espalhou-se rapidamente e, apenas um ano
depois, um padre construía o primeiro para-raios na Europa, na Alemanha.
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo Geral
O seguinte trabalho tem como objetivo estudar a importância e os princípios de
funcionamento de alguns tipos de para raios, e os efeitos de uma descarga atmosférica em
edificações.
1.1.2. Objetivos Específicos
Os objetivos específicos do estudo estão dispostos de forma a explicar os seguintes assuntos:
Explicar a formação de raios;
Explicar o funcionamento de alguns tipos de para raios;
Normas para instalação de para raios em edificações.
1.2. METODOLOGIA
A metodologia utilizada para desenvolvimento deste trabalho é a de pesquisa científica, com
base na obra DESCARGAS ATMOSFÉRICAS [1].
12
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO
A estrutura deste trabalho está disposta em 6 principais blocos:
INTRODUÇÃO: Abertura do trabalho, com o histórico de surgimento do para raio;
objetivos geral e específicos e também qual a metodologia utilizada ao longo do
desenvolvimento.
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS: Aqui há definições de como ocorre um raio, explicando
como as nuvens adquirem e descarregam cargas; incidências de raios, locais onde há maior
incidência e explicação de Índice Ceraúnico; Além das diferentes dimensões do raio, sua
duração e grandezas.
PROTEGENDO ESTRUTURAS CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS: Quais são
os níveis de proteção necessários contra descargas atmosféricas; densidade e captação do
raio nos diferentes tipos de estruturas; e por último, os diferentes tipos de risco encontrados.
OS DIFERENTES TIPOS DE PARA RAIOS: Neste tópico, são estudados 2 tipos – Tipo
Franklin e Gaiola de Faraday. Para o tipo Franklin, há o esquema do seu sistema de
funcionamento com a explicação de todos os seus componentes
PROJETO: Trata-se de um estudo de caso do Sistema de Proteção contra Descargas
Atmosféricas do prédio de Engenharia da Universidade São Francisco, em Itatiba.
CONSIDERAÇÕES FINAIS: Com a visão do autor a respeito dos assuntos abordados
Ao final, encontram-se, além de referência bibliográfica e glossário, o apêndice e anexos
para melhor entendimento do trabalho.
13
2. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Quando ocorrem tempestades, podem ocorrer descargas atmosféricas, conforme
desenvolvimento a seguir.
2.1. COMO OCORRE UM RAIO
Existem inúmeros fatores que proporcionam o acúmulo de carga nas nuvens. Estes fatores
serão explicados a seguir para melhor entendimento deste fenômeno que chamamos de raio.
2.1.1. Nuvens Adquirem Carga
Uma corrente de ar ascendente possui alta concentração de umidade. Quando uma dessas
correntes atinge determinada altitude, onde as temperaturas são mais baixas, a umidade começa a
formar gotículas de água. Essas gotículas começam a unir-se umas às outras, precipitando pela ação
da gravidade. Quando atingem um tamanho considerável, são induzidas cargas positivas na parte
inferior, e cargas negativas na parte superior. Isso ocorre por que a Terra tem excesso de cargas
negativas.
A gota carregada aumenta seu tamanho gradativamente, ficando instável após atingir um
tamanho aproximado de 5mm. Por isso, ela acaba se fragmentando em partes menores, que nesse
momento formam íons positivos na parte inferior e negativos na parte superior.
Figura 1. Precipitação da gota d’água carregada
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
14
Figura 2. Fragmentação da gota d’água
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Os íons positivos encontram grande quantidade de gotículas de água arrastadas pelo ar
ascendente, que ainda não possui carga. Durante o choque, as gotículas ascendentes entregam
elétrons aos íons positivo descendentes. A partir de então, a gota que subia se torna positiva e o íon
fica neutralizado.
Agora, as gotas ascendentes adquirem grande quantidade de energia cinética, devido ao fato
de assumirem cargas positivas, e se aglomeram na parte superior da nuvem. Os íons negativos que
surgiram com a fragmentação da gota maior, e tem menor energia cinética, continuam descendo e
se aglomeram na parte inferior da nuvem. Ficando assim carregada como uma pilha, com cargas
positivas e negativas separadas.
Entretanto, este fenômeno não é muito bem compreendido, pelo fato de cientistas terem
verificado que algumas nuvens podem ficar carregadas ao contrário, com carga positiva em baixo e
negativa em cima.
Há um fenômeno que intriga os pesquisadores: o fato de que a nuvem não se descarrega
internamente, neutralizando suas cargas positivas e negativas.
15
2.1.2. Nuvens Descarregam Carga
No solo, cargas positivas são induzidas pela nuvem carregada, em uma área correspondente
ao seu tamanho. Essas cargas seguem a nuvem como uma espécie de sombra, conforme o seu
deslocamento, escalando tudo que encontra em seu caminho, como árvores, morros, pessoas, para
raios, etc. (Figura 3).
Quando a nuvem encontra-se entre 300 e 5000 metros de altitude, forma-se uma diferença
de potencial em relação ao solo, que varia de 10 a 1000 kV. Para que o descarregamento da nuvem
seja realizado, não é necessário que o campo elétrico seja superior à rigidez dielétrica do ar. A
massa de ar encontrada entre a nuvem e o solo não é homogênea, contendo impurezas, umidade e ar
ionizado, deixando-o menos resistente. Assim, o campo elétrico de menor valor, já é suficiente para
descarregar a nuvem perfurando o ar (Figura 4).
Figura 3. Cargas positivas no solo induzidas pela nuvem
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
16
Figura 4. Rompimento da rigidez de elétrica do ar
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Durante uma tempestade, com o ar entra aquecido, as cargas procuram caminhos de menor
resistência, como túneis de ar ionizado, tentando se aproximar das cargas positivas do solo.
Os galhos das arvores formam pontas, onde as cargas se aglomeram, proporcionando a
ionização do ar. Este feito é chamado de poder das pontas.
No momento em que a rigidez do ar é vencida, um raio piloto se forma, descarregando numa
velocidade de 1.500 km/s, apenas uma pequena parte da carga a nuvem. Depois desta primeira
descarga, a nuvem esta literalmente curto-circuitada com o solo. Em seguida, ocorre o raio de
retorno, que é a descarga principal. Nesta descarga, a velocidade é de 30.000 km/s, com correntes
que vão de 2.000 a 200.000 A. Pode ainda haver uma terceira descarga, de curta duração, com
correntes de 100 a 1.000 A. Tudo isso acontece em uma fração de segundo, dando a sensação de
que houve apenas um raio.
2.2. INCIDÊNCIAS DE RAIOS
Os raios ocorrem em todo o mundo com frequências distintas de acordo com a região.
Estudos ajudam a entender o porquê e quais são estas frequências.
17
2.2.1. Locais onde há maior Incidência
Geralmente um raio cairá sempre em um ponto mais alto em relação aos demais, como:
montanhas, árvores, prédios, etc. Já dentro de um carro, as pessoas estão totalmente seguras, por
que há uma isolação em relação ao solo.
Na natureza foi observado que um raio prefere terrenos de menor condutividade, como
graníticos ou xistoso. Isto acontece porque a nuvem e o solo acabam formando um grande
capacitor. A enorme diferença de potencial entre a nuvem e o solo provoca a ionização do ar,
diminuindo a isolação entre eles, havendo maior probabilidade do raio piloto furar esta camada de
ar. Porém, no terreno mau condutor, não existe condições de escoamento para o raio, que se
espalha, procurando um caminho de menor resistência.
2.2.2. Índice Ceraúnico
Estudos sobre a intensidade de raios que atingem determinada região chegam a um
parâmetro definido como Índice Ceraúnico (IC). Ao traçar linhas em um mapa, ligando os pontos
de igual intensidade, formam-se Índices Isoceraúnicos.
Conforme se obtêm dados históricos de determinada região, os registros tornam-se mais
precisos. As leituras são feitas considerando as incidências de trovoadas para raios de 20km.
Na Figura 5 há a representação gráfica do Índice Isoceraúnico no mapa do Brasil:
18
Figura 5. Mapa Isoceraúnico do Brasil
Fonte: Adaptado de Comunidade de Instalações Elétricas Industriais (2011)
A seguir, temos a Tabela 1, com os maiores índices de cidades paulistas. Os valores refletem
os dados obtidos até 2010:
Tabela 1. Densidade de raios
Município (SP) Área (km2) População Ranking
Estadual
Densidade
(raios / km2 . ano)
São Caetano do Sul 15,27 149.571 1 22,8189
Itaquaquecetuba 83,20 321.854 2 20,5154
Diadema 31,24 386.039 3 19,7454
Ferraz de Vasconcelos 29,85 168.290 4 19,4816
Poá 17,16 106.033 5 18,3813
Mauá 61,79 417.281 6 17,299
Rio Grande da Serra 37,22 44.084 7 16,5728
Suzano 206,73 262.568 8 16,1824
Santo André 176,02 673.914 9 16,1435
Arapeí 156,52 2.492 10 15,4022
Fonte: Adaptado de INPE- INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (2010)
19
O valor obtido para a coluna Densidade, expressa a quantidade de raios que atingem a
superfície destas cidades por quilômetro quadrado a cada ano. A capital São Paulo é a 11º do
ranking estadual e a 19º no federal, com um índice de 14,8128 raios por km2 em um ano.
2.3. DIMENSÕES DO RAIO
Nem todos os raios possuem a mesma magnitude, necessitando assim de estudos para
quantificar as suas dimensões.
2.3.1. Duração do Raio
Depois de muito tempo de pesquisa, especialistas conseguiram estimar a forma da onda do
impulso de uma descarga, bem com a sua duração. Como mostra a Figura 6:
Figura 6. Forma de onda do raio
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Podemos dividir essa onda em vários segmentos: o que chamamos de frente da onda, é o
tempo de subida de tensão ou corrente, condizente com a ação fulminante do raio, no valor de
1,2μs. O valor máximo alcançado na onda chama-se crista. O restante é a cauda do raio,
correspondendo a 200μs, e vai da crista até o final da onda. Tendo ainda a meia cauda, que
corresponde ao valor de meia crista no tempo de 50μs.
Para proteger equipamentos, podemos considerar o raio até o valor de meia cauda, pois após
esse período a descarga é mais suave e tranquila.
20
2.3.2. Grandezas do Raio
A variação dos valores dos raios é uma preocupação, necessitando maiores estudos. Os
valores apresentados na Tabela 2, a seguir, podem ter sido medidos, ou estimados através de
cálculos precisos.
Tabela 2: Valores do raio
Grandezas Valores
Corrente 2.000 a 200.000 Ampères
Tensão 100 a 1.000 kV
Duração 70 a 200µs
Carga elétrica da nuvem 20 a 50 C
Potência Liberada 1.000 a 8.000 milhões de kW
Energia 4 a 10 kWh
Tempo de crista 1,2µs
Tempo de meia cauda 50µs
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Laboratórios internacionais apontam que descargas diretas no solo de maior magnitude de
corrente são mais raras. Conforme demonstrado pelos pesquisadores, 50% dos raios excedem 15
kA, 6% excedem 60 kA, 0,7% excedem 100 kA e 0,1% excedem 200 kA.
Um raio de grandes proporções ocorre quando uma nuvem com uma quantidade
extremamente grande de cargas se aproxima do solo, empurrada pela força das correntes de ar
descendentes. Um fenômeno como esse pode ocasionar o que chamamos de raio seco, sem chuva.
Também pode ocorrer quando uma nuvem chega perto de uma montanha, também deslocada pela
ação dos ventos, possibilita um raio de grandes proporções. Dentre os dois fenômenos citados
(Figura 7 e Figura 8), o primeiro deles um muito raro, sendo o segundo mais comum.
21
Figura 7. Raio de grande magnitude
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Figura 8. Raio de grande magnitude em uma elevação
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
22
3. PROTEGENDO ESTRUTUTRAS CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
Existe uma série de parâmetros que devem ser verificados para execução de um projeto
de um SPDA.
3.1. NÍVEIS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Para diferentes edificações, existem diferentes níveis de proteção contra descargas
atmosféricas que são mostrados na Tabela 3:
Tabela 3. Proteção contra descargas atmosféricas
Nível de Proteção Eficiência da Proteção Caracterização da Proteção
I 98% Nível máximo de proteção
II 95% Nível médio de proteção
III 90% Nível moderado de proteção
IV 80% Nível normal de proteção
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Existem diferentes tipos de descargas atmosféricas. Por isso, um sistema de para raios pode
não ser efetivo contra todas elas. Raios de altíssima intensidade podem danificar o sistema de
proteção e causar danos na estrutura da edificação, podendo ser danos na estrutura propriamente
dita, ou nos equipamentos elétricos.
A probabilidade do para raio captar uma descarga é muito pequena. Entretanto, não se pode
garantir a proteção, somente ter uma estimativa.
O sistema de proteção esta relacionado com a eficiência de captar e conduzir o raio à terra, e
não com a chance de queda na estrutura.
Para efeito de projeto, as diferentes estruturas são classificadas conforme efeitos e danos que
possam vir a sofrer por ação de uma descarga atmosférica. São elas:
Estruturas comuns: são aquelas cujas preocupações são os efeitos do raio na própria
estrutura.
Estruturas com danos confinados: são estruturas onde, além do dano comum, existe
preocupação séria, com relação à atividade interna executada.
23
Estruturas com perigo aos arredores: são estruturas em que além dos riscos citados
acima, há riscos e prejuízos nas estruturas adjacentes.
Estruturas com danos ao meio ambiente: são estruturas que além dos danos próprios, há
riscos ao meio ambiente de modo temporário ou permanente.
Na Tabela 4 a seguir, são apresentados as classificações, agrupamentos e os efeitos causados
pela descarga atmosférica, para cada tipo de estrutura
Tabela 4. Efeito do raio em uma estrutura
Classificação
da estrutura Tipo da estrutura Efeitos das descargas atmosféricas
Nível de
proteção
Estruturas
Comuns
Residências
Perfuração da isolação de instalações elétricas,
incêndio e danos materiais
Danos normalmente limitados a objetos no ponto
de impacto ou no caminho do raio
III
Fazendas,
estabelecimentos
agropecuários
Risco direto de incêndio e tensões de passo
perigosas
Risco indireto à interrupção de energia e risco de
vida para animais devido à perda de controlas
eletrônicos, ventilação, suprimento de alimentação
e outros
III ou IV
Teatros, escolas,
lojas de
departamentos,
áreas esportivas e
igrejas
Danos às instalações elétricas (por exemplo:
iluminação) e possibilidade de pânico
Falha do sistema de alarme contra incêndio,
causando atraso no socorro
II
Bancos,
companhias de
seguro,
companhias
comerciais e
outros
Como acima, além de efeitos indiretos com a
perda de comunicações, falhas dos computadores e
perda de dados
II
Hospitais, casa de
repouso e prisões
Como para escolas, além de efeitos indiretos para
pessoas em tratamento intensivo e dificuldade de
resgate de pessoas imobilizadas
II
Indústrias
Efeitos indiretos conforme o conteúdo das
estruturas, variando de danos pequenos a prejuízos
inaceitáveis e perda de produção
III
Museus, locais
arqueológicos Perda de patrimônio cultural insubstituível II
Estruturas
com risco
confinado
Estações de
telecomunicações,
usinas elétricas,
indústrias
Interrupção inaceitável de serviços públicos por
breve ou longo período de tempo
Risco indireto para as imediações devido a
incêndios e outros com risco de incêndio
I
Estruturas Refinarias, postos Risco de incêndio e explosão para a instalação e I
24
com risco
para
arredores
de combustível,
fábricas de fogos,
fábricas de
munição
seus arredores
Estruturas
com risco
para o meio
ambiente
Indústrias
químicas, usinas
nucleares,
laboratórios
bioquímicos
Risco de incêndio e falhas de operação, com
conseqüências perigosas para o local e para o meio
ambiente
I
Fonte: Adaptado de NORMA NBR-5419 (2005)
3.2. DENSIDADE E ÁREA DE CAPTAÇÃO DO RAIO EM UMA
ESTRUTURA
Define-se como área de captação do raio em uma estrutura normal, como sendo a área em
que, se ocorrer à incidência do raio, o mesmo será atraído pela estrutura. Em uma edificação
simétrica, a área de captação é calculada pela soma da área de ocupação da própria estrutura, com a
área correspondente a uma faixa contigua à primeira, de largura constante e igual à altura da
estrutura, ao longo do seu perímetro. Esta área é obtida pela seguinte expressão:
1
Por tanto, deve-se calcular a área de captação de uma estrutura da seguinte maneira:
Figura 9. Área de captação de uma edificação simétrica
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
25
Se a edificação tiver uma geometria assimétrica, a área de captação será obtida pela
superposição das áreas de captação correspondentes às partes de maior altura da estrutura, conforme
o exemplo:
Figura 10. Área de captação de uma edificação assimétrica
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Quando se fala de densidade de raios, fala-se da quantidade de raios que caem por ano em
uma área de 1 km2, conforme explicado anteriormente em Índice Ceraúnico. Esta grandeza é
determinada pela seguinte equação:
2
O conhecimento da densidade de raios é importante para determinar a quantidade de raios
incidentes na área a ser protegida em uma estrutura, que é fruto do produto de área de captação e da
densidade de raios, conforme Equação 3:
3
Por exemplo, se a edificação que usamos para calcular a área de captação estiver na cidade
de Atibaia que tem uma densidade de raios de 6,2475 raios/km2.ano, os raios incidentes serão:
26
Se o numero de raios incidentes estiver abaixo de 0,00001 o SPDA é dispensável, e acima
de 0,001 é indispensável.
3.3. ÍNDICE DE RISCO
Determinar o índice de risco (R) de uma estrutura é fundamental para classificação seu grau
de risco, conforme mostra a Tabela 5:
Tabela 5.Índices de risco
Índice de risco (R) Nível de risco
0 a 2 Leves
2,01 a 3 Leves a moderados
3,01 a 4 Moderados
4,01 a 7 Moderados a severos
> 7,01 Severos
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
O índice de risco é determinado pela equação:
4
As letras de A a F representam parâmetros que devem ser analisados conforme a estrutura,
sendo que:
A é relativo ao tipo de estrutura e área total construída.
B é o enquadramento referente ao tipo de material usado na construção.
C relaciona a área do terreno ocupado pela edificação com as estruturas vizinhas.
D é relacionado com a topografia do terreno.
E refere-se ao tipo de ocupação e conteúdo da edificação.
F é relativo aos níveis ceraúnicos da região em que está localizada a estrutura.
Todas as tabelas referentes aos parâmetros estão localizadas no apêndice.
27
4. DIFERENTES MÉTODOS DE PARA RAIOS
A seguir explicaremos o funcionamento e estrutura dos 2 principais tipos de para raio:
Método de Franklin e Gaiola de Faraday.
4.1. MÉTODO DE FRANKLIN
O método de para raio mais conhecido é o de Franklin, que tem por base uma haste elevada
em forma de pontas. Pelo fato de esta haste estar ligada ao solo, ela produz uma alta quantidade de
cargas elétricas, juntamente com um campo elétrico intenso, sob a nuvem, conforme Figura 11:
Figura 11. Indução de cargas pela haste
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
O fato de a haste estar mais próxima da nuvem faz com que a ionização do ar aumente,
propiciando um ambiente adequado para a descarga atmosférica.
O sistema de aterramento que é ligado na haste pelo cabo de descida, é responsável pelo
escoamento do raio. A segurança do SPDA estará comprometida se não houver um
dimensionamento correto dos componentes.
28
Existe um principio básico da proteção com para raios que diz, “É preferível não ter para
raio a ter um mal dimensionado ou mal instalado”.
4.1.1. Área Espacial de Proteção
A área espacial de proteção é a região protegida pelo para raio, isto é, se houver uma
descarga nessa área, ela preferirá o caminho do para raio. Existem muitas teorias propostas ao longo
da historia sobre o volume efetivo de proteção proporcionado pela haste de Franklin.
Com o avanço das pesquisas sobre o assunto, verificou-se que, a área de proteção é formada
por um cone descendo da haste em direção ao solo, e que o ângulo de proteção depende da altura e
do grau de proteção pretendido, conforme é mostrado na Tabela 6, a seguir:
Tabela 6. Ângulos de proteção
Grau de Proteção
adotado
Altura máxima (h) da ponta da haste ao solo (m)
≤ 20 20 < h ≤ 30 30 < h ≤ 45 45 < h ≤ 60
IV 55º 45º 35º 25º
III 45º 35º 25º *
II 35º 25º * *
I 25º * * *
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
As lacunas na tabela (*) informam que naquela determinada situação, o para raio tipo
Franklin não é suficiente. Devido à variação do ângulo de proteção, estruturas muito alta acabavam
recebendo descargas laterais.
Deve se verificar a altura mínima da haste, para que proteja todo o volume da estrutura,
como na Figura 12:
29
Figura 12. Altura da haste
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
4.1.2. Condutor Fictício de Proteção
Quando se utiliza mais de uma haste de Franklin em linha em uma mesma estrutura, o
volume da área protegida aumenta devido a um fenômeno que chamamos de condutor fictício
horizontal, como demonstra a Figura 13 a seguir:
Figura 13. Condutor fictício horizontal
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
30
Como mostra a figura, o condutor fictício situa se um pouco abaixo de ponta da haste, e seu
valor é obtido através da expressão:
= 5 Na qual:
é a altura do condutor fictício
é a altura da haste
é a diferença entre a haste e o cabo fictício
Com a seguinte expressão é possível obter o valor de ΔH.
6
Onde:
é a distancia entre as hastes de Franklin
é um parâmetro que varia com o grau de proteção desejado. Seu valor é obtido através
da Tabela 7:
Tabela 7. Valores do parâmetro R
Nível de Proteção Parâmetro R [m]
I 20
II 30
III 45
IV 60
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
As seguintes inequações precisam ser satisfeitas para que haja o cabo fictício:
31
≤ 7
≤ 2 8
O condutor fictício admite o mesmo ângulo de proteção da haste, conforme foi visto
anteriormente na Tabela 6.
4.1.3. Plano Fictício de Proteção
Quando existe mais do que duas haste de Franklin em uma mesma estrutura, a zona espacial
de proteção é aumentada, combinando as hastes duas a duas formando um plano fictício logo abaixo
da ponta da haste.
A Figura 14, a seguir mostra uma edificação com quatro hastes formando um quadrado.
Nota se também a altura do cabo fictício, e o plano fictício um pouco mais baixo.
Figura 14. Plano fictício
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Na figura:
A representa a zona de proteção devido a haste
32
B a zona de proteção devido ao cabo fictício
C representa o plano fictício
A altura do plano fictício é obtida através da seguinte expressão:
9
O valor de é obtido através da equação:
10
é o comprimento diagonal entre as hastes.
é um parâmetro que varia com o grau de proteção desejado. Seu valor é obtido através
da Tabela 7.
Só poderá ser aplicado o plano fictício se satisfizer a inequação.
≤ 11
No projeto do SPDA, o plano fictício deverá estar acima da estrutura considerada.
4.1.4. Esquema do Sistema de Para Raio tipo Franklin
Na Figura 15, é possível observar o esquema de um sistema de para raio tipo Franklin e seus
componentes.
33
Figura 15. Sistema de para raio tipo Franklin
Fonte: Adaptado de MSPC – INFORMAÇÕES TÉCNICAS (2011)
O para raio tipo Franklin tem uma serie de componentes, que são:
Captor
Conector
Haste de sustentação
Espaçador
Braçadeira
Cabo de descida
Isolador
Aterramento
Tubo protetor
Cobertura de conexão
34
Os mais importantes serão explicados a seguir:
4.1.4.1. Captor
O captor é o elemento que fica na ponta da haste. Ele pode ser de bronze, ferro, latão ou aço
inoxidável. Existe uma divergência entre pesquisadores sobre qual deve ser o formato do captor. Se
deve ter varias pontas ou se deve ser no formato de uma esfera. Entretanto, estudos realizados em
laboratórios apontam que o formato não influi na funcionalidade do captor, pelo fato de haver uma
grande distancia entre ele e a nuvem. Contudo, o captor em forma de esfera poderá receber um raio
de maior potência sem problemas.
Figura 16. Captor de pontas
Fonte: Adaptado de CIMM - PARA RAIOS TIPO FRANKLIN (2011)
4.1.4.2. Cabo de Descida
O cabo de descida é responsável por conduzir o raio do captor para a haste de aterramento.
O cabo deve, de preferência, ser continuo, mas se não houver esta possibilidade, devem ser
feitas emendas metalizadas, seguindo os seguintes parâmetros:
Solda exotérmica, conhecida como aluminotermia, cuja conexão é feita pela fusão obtida
pela ignição e combustão dos ingredientes contidos em um cadinho;
Brasagem com liga phoscopper (é uma união feita usando o maçarico). Neste tipo de
solda deve haver uma superposição dos cabos de no mínimo, 20 diâmetros.
Na Figura 15, sobre o esquema de ligação do para raio tipo Franklin, há duas conexões feitas
por pressão: a do captor no cabo de descida, e a da haste de aterramento no cabo de descida.
Conexões por pressão sofrem oxidação, gerando pontos de alta resistência elétrica, que no
momento da descarga podem produzir aquecimentos, faiscamentos e descargas laterais. A conexão
35
por pressão deve ser evitada, mas se não for possível, deverá ser coberta por um material isolante
emborrachado.
Bitola do Cabo de Descida
Quando um raio atinge um para raio, ele produz aquecimento no cabo de descida. Por esse
motivo, o cabo de descia deve ter um dimensionamento adequado da sua bitola. A pratica tem
mostrado que os limites térmicos do cabo, para edificações de até 20m são garantidos pelas bitolas
mínimas indicadas na Tabela 8.
Tabela 8. Bitola do cabo de descida para prédios de até 20m.
Material Bitola Mínima
Cobre 16 mm2
Alumínio 25 mm2
Aço 50 mm2
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
As bitolas dos cabos de descida estão superdimensionadas em termos de efeito térmico. Mas
o cabo também sofre com efeitos mecânicos, que são proporcionados pela distribuição do seu
próprio peso, e pelo seu tracionamento. Esse efeito deve ser evitado pelo posicionamento adequado
dos espaçadores, como veremos adiante.
Número de Descidas
Quando um raio atinge um SPDA, é gerada um corrente nos cabos de descida.
Consequentemente se forma um campo magnético variável que induz tensão nos materiais
condutores vizinhos.
A distribuição do cabo de descida ajuda a atenuar a tensão induzida, os efeitos térmicos e os
campos magnéticos internos à estrutura. A distribuição dos cabos deve ser feita uniformemente ao
longo do perímetro da edificação, com um espaçamento determinado pela Tabela 9:
Tabela 9. Espaçamento entre cabos de descida
Nível de proteção Espaçamento máximo
I 10m
II 15m
III 20m
IV 25m
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
36
O calculo do numero de cabos de descidas deve ser feito através da seguinte expressão
determinada pela norma NBR-5419.
12
é o numero de descidas
é a área da ocupada pela edificação em m2
é a altura da edificação em m2
é o perímetro da edificação em m2
Após calcular o numero de descidas, o valor encontrado deve ser arredondado para o valor
superior mais próximo.
Equipotenciais na Estrutura
Entre os cabos de descida e ao longo deles, existem diferenças de potenciais. Essas
diferenças podem induzir tensões nos condutores adjacentes, causando danos materiais e pessoais.
Assim, é necessário ligar todos os cabos de descida por um condutor horizontal junto ao solo e a
cada 20m de altura, conforme Figura 16, abaixo. A função desse condutor é manter o mesmo
potencial.
37
Figura 16. Ligação Equipotencial
Fonte: Comunidade de Instalações Elétricas Industriais (2011)
Fazendo a equalização dos pontos da estrutura, poderá haver a elevação do potencial em
algum momento, mas toda a estrutura ficará com o mesmo potencial, evitando faiscamentos e
outros tipos de danos.
Pelos cabos de equalização de potencial circulam correntes menores que as dos cabos de
descida, portanto a conexão poderá ser feita de maneira mais simples, o com cabos de bitola menor,
como mostra a Tabela 10:
Tabela 10. Bitola dos cabos de equalização
Material Seção transversal
Cobre 6 mm2
Alumínio 10 mm2
Ferro 16 mm2
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
A equalização dos potenciais pode ser feita utilizando a própria estrutura metálica da
edificação, desde que as conexões sejam feitas convenientemente para evitar danos a edificação e
ao SPDA.
38
Centelhamento Lateral
Nas edificações, os materiais condutores que estão próximos aos cabos de descida podem
sofrer efeitos do campo magnético da descarga, que pode induzir tensões que provocam um arco
elétrico através do ar ou mesmo das paredes, podendo produzir incêndios.
Quando uma edificação tem o número de descidas adequado e a equalização dos potenciais
bem distribuídas, o material condutor não deve estar mais próximo do cabo de descida do que o
estipulado pela seguinte inequação:
13
d é distancia em metros para não haver centalhamento;
é o comprimento do material condutor paralelo ao cabo de descida;
é um coeficiente do nível de proteção, selecionado através da Tabela 11:
Tabela 11. Coeficiente
Nível de proteção Coeficiente
I 0,1
II 0,075
III e IV 0,05
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
é um coeficiente determinado através da Tabela 12 da rigidez dielétrica do
material que se encontra entre o cabo de descida e o material condutor.
Tabela 12. Coeficiente
Material Coeficiente
Ar 1,0
Sólido 0,5
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
39
é um coeficiente determinado pela configuração dimensional do cabo de descida,
que pode ser obtido através da análise das Figuras 18, 19 e 20:
Figura 18. Coeficiente = 1
Fonte: Adaptado de NORMA NBR-5419 (2005)
Figura 19. Coeficiente = 0,66
Fonte: Adaptado de NORMA NBR-5419 (2005)
40
Figura 20. Coeficiente = 0,44
Fonte: Adaptado de NORMA NBR-5419 (2005)
Em uma estrutura com nível de proteção IV, a distância mínima entre o cabo e o material
condutor deve ser de 0,5m.
4.1.4.3. Espaçador
O espaçador é um elemento utilizado para manter o cabo de descida afastado da estrutura e
sustentá-lo, de modo a mantê-lo na sua posição definida no projeto, para que não sofra deformações
por tensionamento.
Composto basicamente de um isolador feito de cerâmica e uma haste metálica, o espaçador
mantém a distância entre cabo de descida e a haste de sustentação do captor, de telhas ou paredes
laterais.
A haste metálica que abraça o isolador, não deve formar um anel, deixando uma folga como
mostra a Figura 21 (abaixo). Pois o campo magnético gerado pelo raio ao passar no cabo de descida
transformaria o espaçador em uma bobina, induzindo tensões indesejadas podendo produzir
descargas laterais.
41
Figura 21. Espaçador
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Deve se manter uma distancia de 2m entre dois espaçadores, principalmente na vertical,
onde devem ser adicionados prendedores para evitar o escoamento do cabo.
Não se faz mais uso dos espaçadores em paredes de material não combustível, como
concreto por exemplo. A norma permite que o cabo seja fixado na própria estrutura.
4.1.4.4. Tubo Protetor
A chegada o cabo de descida no solo deve ser protegida por um tubo de material não
condutor, com a finalidade de evitar tensão de toque no momento da descarga e proteger o cabo de
possíveis danificações.
O tubo protetor normalmente é feito de PVC, que é um material não condutor e de boa
resistência mecânica. Deve ter no mínimo 3m de comprimento e 2” de diâmetro.
4.1.4.5. Sistema de Aterramento
O sistema de aterramento é um assunto muito complexo e extenso, podendo ter um trabalho
estritamente sobre isso.
Na norma NBR-5419, não é exigido um valor de resistência de aterramento para SPDA, mas
é recomendado que seja inferior a 10Ω. Valores mais altos são aceitos desde que sejam justificados
por laudos técnicos.
Existe uma série de fatores que influenciam no cálculo de um aterramento, como
composição física e química do solo, tipo de haste utilizada, disposição das hastes, entre outros.
42
A haste de aterramento geralmente é composta por um revestimento de cobre em uma alma
de aço. Seu comprimento pode variar de 1,5m a 4m, sendo que geralmente são utilizadas hastes de
2,5m por reduzirem o risco de perfurar alguma tubulação subterrânea.
Em alguns casos, o valor ideal de aterramento não será atingido, se fazendo necessário um
tratamento químico do solo para diminuição da resistividade. Em determinadas situações, apenas a
utilização de mais de uma haste poderá atingir o resultado desejado.
Existem algumas formas de agrupamento de hastes, sendo a formação de polígonos, uma das
mais utilizadas, como mostra a Figura 22:
Figura 22. Disposição de haste de aterramento
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
Na ocasião de descarga atmosférica, a resistência entre a nuvem e a terra é algo entre
1.000Ω e 1.500Ω. Sendo assim, o sistema de aterramento pouco importa na oposição do raio. O
sistema de aterramento visa a segurança da edificação e de seus ocupantes.
Lembrando que, o calculo e dimensionamento de um sistema de aterramento é muito
complexo, se fazendo necessária a consulta de um material técnico e especifico para maiores
informações.
4.2. GAIOLA DE FARADAY
A proteção proposta por Michael Faraday (1791 – 1867) consiste em utilizar cabos
condutores em forma de anel ou malhas, no topo das edificações e até nas laterais, daí o nome
gaiola de Faraday.
43
4.2.1. Proteção pelo método de Faraday
O método de Faraday tem como principio básico a lei de Lenz. A lei proposta por Heinrich
Lenz (1804 – 1864) diz que “[...] o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético
que lhe deu origem. Havendo diminuição do fluxo magnético, a corrente criada gerará um campo
magnético de mesmo sentido do fluxo magnético da fonte. Havendo aumento, a corrente criada
gerará um campo magnético oposto ao sentido do fluxo magnético da fonte”. (Wikipédia. 2011).
A gaiola de Faraday é constituída de malhas condutoras, que evitarão a passagem do raio
para o interior do prédio. Faraday em sua experiência, provou que correntes uniformes não
produzem campo magnético no interior da malha ao passarem pela mesma. Um pequeno campo
magnético se forma quando correntes não uniformes atravessam a malha, que é o caso do raio, que
ao cair produz uma dissipação não uniforme. A proteção pela gaiola ocorre devido a indução de
correntes nas malhas, criando campos magnéticos de oposição, obrigando o raio a ir para as bordas
da malha e passar pelo cabo de descida. Como mostra a Figura 23:
Figura 23. Corrente do raio descendo pela gaiola.
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
44
4.2.2. Malhas da gaiola de Faraday
As malhas da gaiola de Faraday são formadas por cabos condutores que se cruzam formando
retículos, não necessariamente quadrados, fechando a superfície da edificação.
Depois de vários estudos e pesquisas, entidades competentes estabeleceram uma relação
entre nível de proteção e dimensão das malhas da gaiola, como é mostrado na Tabela 13:
Tabela 13. Malhas da Gaiola de Faraday
Nível de Proteção Malha da Gaiola de Faraday
I 5 x 7,5
II 10 x 15
III e IV 20 x 30
Fonte: Adaptado de Comunidade de Instalações Elétricas Industriais (2011)
O dimensionamento das bitolas dos condutores utiliza a mesma tabela para cabos de descida
da proteção de Franklin.
4.2.3. Cabos de descida
Pelo método de gaiola de Faraday, recomenda-se utilizar uma descida em cada canto da
edificação.
Nas laterais da edificação, o espaçamento das descidas não segue o recomendado na Tabela
13, e sim o mesmo do método de Franklin. Isto porque as descidas já fecham uma malha com o
cabo equalizador de potenciais e com a periferia da malha superior.
As quadriculas da malha superior são mais fechadas do que as laterais, pois a superfície da
edificação é uma área mais suscetível a incidência de raios, não necessitando uma malha muito
fechada nas paredes laterais.
Se na edificação houver janelas metálicas, estas ajudarão a melhorar a qualidade da Gaiola
de Faraday, pois funcionarão como um anel de oposição ao raio.
4.2.4. Posicionamento da Malha Superior de Faraday
Existem quatro formas de executar a instalação de malha superior da gaiola. Que são:
Malha suspensa a uma certa altura da superfície, como uma espécie de varal;
45
Malha suspensa a uma pequena altura da superfície (cerca de 0,2m);
Malha encostada e fixada na superfície;
Malha embutida na própria laje da cobertura.
Os três primeiros métodos facilitam quando o assunto é manutenção e inspeção, já o último,
tem vantagem quanto e estética e a conservação dos condutores, pois se um raio atingir a edificação,
a descarga danificará o concreto e não os condutores.
4.2.5. Coberturas Metálicas
As edificações que possuem cobertura metálica não necessitam de malha superior, pois a
mesma proporciona uma blindagem completa de superfície, fazendo-se necessário apenas o projeto
das descidas.
A cobertura metálica dissipará o raio através de sua extensão, escoando a descarga para os
cabos de descida. O ponto de impacto do raio gera aquecimento, então, deve-se verificar a espessura
da cobertura metálica.
Se no interior da edificação não houver produtos de risco, isto é, com baixo ponto de fulgor,
a espessura mínima da cobertura metálica será dada pela Tabela 14:
Tabela 14. Espessura mínima de coberturas metálicas
Nível de Proteção Material na Chapa Espessura da Chapa (Mínimo)
I a IV
Aço 0,4 mm
Cobre 0,3 mm
Alumínio 0,7 mm
Zinco 0,7 mm
Fonte: Adaptado de KINDERMANN (1992)
No caso de haver produtos de risco de combustão no interior da edificação, deve-se
adicionar 2mm na espessura de chapa de cobertura.
Em casos de cobertura metálica, deve haver continuidade elétrica perfeita entre as chapas,
para não haver risco de centelhamento. As conexões devem ser feitas usando qualquer um dos
processor citados anteriormente.
46
5. ESTUDO DE CASO
No seguinte relatório será apresentado um estudo de caso sobre o sistema de para raios do
prédio de engenharia da Universidade São Francisco, no campus de Itatiba.
O prédio tem três andares de altura mais o térreo. Suas dimensões são: 40m de largura,
77,5m de comprimento e 14m de altura. Por indisponibilidade da planta estrutural da edificação a
altura proposta foi estimada, podendo divergir alguns centímetros do real valor. O nível de proteção
foi classificado como nível II, pela Tabela 4.
5.1. ÁREA DE CAPTAÇÃO
A edificação admite a forma simétrica de um retângulo. Assim, o calculo da área de
captação será como o demonstrado no item 3.2.
= 40.77,5+2.14.77,5+2.14.40+2. .14
= 6477,9645 = 0,006477
5.2. RAIOS INCIDENTES
O número de raios incidentes é dado pelo produto da área de captação pela densidade de raio
na cidade de Itatiba, que é igual a 6,5606 , segundo dados do INPE.
Portanto:
= 0,006477.6,5606
= 0,04249 raio/ano
O numero de raios incidentes é maior que 0,001, então há necessidade de um sistema de para
raios.
5.3. ÍNDICE DE RISCO
O índice de risco depende dos parâmetros citados no item 3.3. Após analise desses
parâmetros, constatamos que: A = 9, B = 3, C = 2, D = 1, E = 6, F = 3.
47
O risco é classificado como moderado a severo pela Tabela 5.
5.4. AVALIAÇÃO DO SISTEMA DE PARA RAIOS
O sistema de para raios do prédio estudado é composto de gaiola de Faraday conjugada com
uma haste de Franklin. Os retângulos da malha superior utilizam cabos de alumínio de 35mm2 e têm
dimensões de 12,9m x 20 m. A bitola dos cabos em relação ao material usado está de acordo com o
recomendado na Tabela 8, conforme Figura 27 do Anexo. Entretanto, as dimensões dos retângulos
estão fora das medidas recomendadas pela Tabela 13, que são de 10m x 15 m.
A haste de Franklin é utilizada para proteção de uma antena parabólica (Figura 24) que está
acima da malha da gaiola. A haste tem 3,5m de altura em relação ao topo do prédio e a antena tem
2,5m do mesmo referencial. Realizando os cálculos, a antena que esta afastada 1m da haste não
poderia ter mais que 2,07m de altura, levando em conta o angulo de proteção que é de 35°.
As descidas utilizam cabos de 16mm2 de cobre, estando dentro dos padrões recomendados
pela Tabela 8, conforme Figura 31. Todos os dezesseis cabos de descida estão ligados
equipotencialmente por um cabo de cobre de 35mm2.
Existem dez hastes de aterramento (Figura 30), número inferior ao recomendado, que é de
uma haste por descida. O valor de aterramento está variando entre 6,5Ω e 7Ω de haste para haste,
conforme informado pela Universidade.
A escada metálica de acesso ao topo do prédio esta devidamente conectada ao sistema de
para raios, conforme Figura 26. Contudo, outras estruturas não estavam conectadas ao sistema de
para raios (Figura 32), havendo ainda, algumas falhas de conexão por pressão que não estavam
cobertas com material emborrachado para evitar corrosão (Figura 25).
Todos os fatos relatados acima podem ser verificados nas fotos encontradas no Anexo.
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5.5. RESULTADO DA ANÁLISE
Através do conhecimento adquirido ao longo deste trabalho, pode-se concluir que o sistema
de para raios do prédio de engenharia da Universidade São Francisco no campus de Itatiba pode
estar classificado em uma categoria diferente da recomendada, por isso apresentou algumas
divergências dos parâmetros recomendados pela norma brasileira.
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6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A proposta de um para raio é simplesmente proteger a estrutura das edificações e as
pessoas que dentro delas estão, de uma eventual descarga atmosférica. Sempre visando às normas
de regulamentação, para que haja maior eficácia na instalação de um sistema de proteção.
Lembrado que um sistema de para raio projetado e instalado corretamente irá proteger a edificação
mesmo de descargas de alta intensidade. Já um para raio mal projetado e mal instalado poderá
prejudicar e danificar ao invés de proteger. Sendo assim, é melhor não ter um para raio do que ter
um para raio precário.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] KINDERMANN, Geraldo. Descargas atmosféricas. 1. ed. Porto Alegre: SAGRA-DC
LUZZATTO, 1992.
[2] MSPC – Informações Técnicas. Disponível em: http://www.mspc.eng.br. Acesso em: 27 de mai.
2011.
[3] Instituto de Metereologia, IP Portugal. Disponível em
http://www.meteo.pt/pt/otempo/previsaonumerica/. Acesso em 23 de out. 2011.
[4] Comunidade de Instalações Elétricas Industriais. Disponível em:
http://www.centralmat.com.br/Artigos. Acesso em 24 de set.2011
[5] Para Raios Tipo Franklin - CIMM. Disponível em: http://www.cimm.com.br/portalprodutos.
Acesso em 05 de out. 2011
[6] Wikipédia. Disponível em http://www.wikipedia.com.br. Último acesso em 29 de out. 2011
[7] Dicionário Online de Português. Disponível em http://www.dicio.com.br. Acesso em 02 de nov.
2011
[8] UNIMAR - Universidade de Marília. Disponível em:
http://www.unimar.br/universidade/nap/MANUAL_DE_METODOLOGIA_TCC_UNIMAR.pdf.
Acesso em 05 de nov. 2011
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GLOSSÁRIO
Ascendente Que vai subindo ou progredindo: movimento ascendente; marcha
ascendente.
Brasagem Brasagem é um processo térmico com o objetivo de proporcionar a junção
ou revestimento de peças e materiais metálicos por meio um metal de adição
em fusão, chamado meio de brasagem (sendo este, um metal relativamente
puro ou uma liga).
Cadinho Vaso de argila refratária, de ferro, de prata, de platina ou de outra matéria,
que serve para nele se fundirem metais ou outros minerais; crisol. (Tem
geralmente a forma de um tronco de cone.)
Descendente Que vai descendo ou regredindo: movimento descendente; marcha
descendente.
Granítico Que tem a natureza do granito: Rocha cristalina formada de uma mistura
heterogênea de quartzo, feldspato e biotita. O granito é de cor clara, e seus
cristais são bastante grandes para poderem ser vistos a olho nu. Pode-se
estudá-los nas superfícies polidas dos blocos de granito usados em
monumentos e edifícios.
Haste Pedaço de pau ou ferro, delgado, levantado e direito, em que se embute ou
encrava alguma coisa, como uma bandeira, uma lança, uma alabarda. Parte
fina e alongada de um objeto.
Íon Espécie química eletricamente carregada, geralmente um átomo ou
molécula que perdeu ou ganhou um ou mais elétrons. Íons carregados
negativamente são conhecidos como ânions ou até mesmo como íon
negativo, enquanto íons com carga positiva são denominados cátions ou íon
positivo.
Lenz Heinrich Friedrich Emil Lenz foi um físico alemão que ganhou fama por ter
formulado a lei de Lenz em 1833. Além da lei nomeada em sua honra, Lenz
também formulou a Lei de Joule em 1842.
Mesopotâmia Trata-se de um planalto de origem vulcânica localizado no Oriente Médio,
delimitado entre os vales dos rios Tigre e Eufrates, ocupado pelo atual
território do Iraque e terras próximas. A Mesopotâmia é considerada um dos
berços da civilização, já que foi na Baixa Mesopotâmia onde surgiram as
primeiras civilizações por volta do VI milênio a.C.
Phoscopper Liga de Cobre e Fósforo, podendo conter pequenas quantidades de Estanho.
São também conhecidas por várias variantes de nomes, como Foscoper ou
Foscopper. São soldas de baixo custo, largamente utilizadas nas tubulações
em refrigeração e ar condicionado, por produzirem juntas que suportam uma
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faixa de temperaturas entre aproximadamente -50°C a 200°C. Também são
utilizadas em instalações e hidráulicas.
Relâmpago Clarão muito intenso e rápido produzido pelo raio, precedendo ou
acompanhando o trovão.
Rigidez Dielétrica Valor limite de campo elétrico aplicado sobre a espessura do material
(kV/mm), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o
material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um
isolante.
Trovão O trovão é o ruído resultante da onda de choque provocada pelo
aquecimento instantâneo do ar ao ser atravessado por um raio durante uma
tempestade.
Xistoso Da natureza ou constituição do xisto: Mineralogia Mineral de estrutura
laminosa e friável, formado por diversos óxidos metálicos, sílica e argila.
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APÊNDICE A – PARÂMETROS DE ÍNDICES DE RISCO
Este apêndice trata-se das tabelas de parâmetros de índices de risco, conforme citadas no
item 3.3. Índice de Risco, deste trabalho. Estas tabelas foram retiradas da fonte bibliográfica [4].
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Fonte: Comunidade de Instalações Elétricas Industriais. Disponível em:
http://www.centralmat.com.br/Artigos. Acesso em 24 de set.2011
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ANEXO I – PARA RAIO ANALISADO NO ESTUDO DE CASO
Figura 24. Haste de Franklin protegendo a antena.
Figura 25. Conexão por pressão mal executada
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Figura 26. Conexão da escada de acesso
Figura 27. Cruzamento dos condutores da malha da Gaiola de Faraday
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Figura 28. Cabo de descida com tubo protetor
Figura 29. Conexão do cabo de descida
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Figura 30. Haste de aterramento
Figura 31. Conexão do cabo de descida na estrutura metálica das janelas
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Figura 32. Refletor não conectado ao sistema de para raio
Figura 33. Visão geral do topo do prédio
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